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 作者：Jose Mendez, Tessera  日期：2009/3/30   來源：半導體科技    

目前在影像感測器模組測試上，再也不需因為一堆縮寫(acronyms)，測試設備(test equipment)，以及圖表(charts)，而感到困惑。只需有清楚的目標和一些技術竅門作輔助，如此便可將繁雜的工作簡化成少許的一些主要步驟(key steps)，例如：材料選擇(material selection)、電性設定(electrical set-up)，以及模組品質測量(module quality measurement)等。

首先確認需要量測之主要參數(key parameters)項目。例如：元件需要測試的項目，則包括：構裝(package)、透鏡模組(lens stack)、影像感測器本身、或者前面三大項之組合。當這些項目確認好之後，接著從可能的測試範圍去選擇其相關的次項目設定。

材料選擇之考量(Material Selection Considerations)
在影像模組測試時需要有基礎相關設備，首先正確地設計暗室(dark room)，除了空間需求外，暗室必須與無法控制之光源作隔絕，使得暗室容易達到小於0.1 Lux的光強度。這需要一個解析度大於0.1 Lux的照度計量器(Lux meter)並且具有0到20K Lux或更大之足夠的量測範圍。此外，暗室必須塗上不反射之表面(non-reflective surface)，例如：一個18%的粗糙表面之灰色油漆。

接著選擇正確光源(light sources)，使其在色彩光譜(color spectrum)中可作非常大之變化。螢光燈與白光燈比較，則螢光燈含有較多的藍色與綠色成份。色彩溫度(color temperature)這個名詞是用來描述一個幾乎接近 ”等光譜之黑體光源”(spectrum-equivalent black-body light source)的溫度。

一對具有色彩溫度小於5000K，大約為250W的光源就足夠使用，將白熾熱鎢絲燈調到2800K，一般是符合這個範圍內。這些必須裝在完全可調式之架子上，例如：高度、水平、垂直角度等都可以自由調整。為了幫助平穩光源，通常會在光源處附上半透明繞射工具，例如：攝影棚的控光傘。為了控制光強度，調整兩座泛光調光器(floodlight dimmer)開關，使得整體光強度可大於個別光源強度。影像擷取器是另一個重要設備，必須選擇能夠提供具彈性之資料位元寬度(data bit width)、資料種類(可支援RAW，Bayer，RGB，YCBCr)，以及包含註冊的介面通訊協定 (register interface communication protocol)，例如：I2C。還需要一組最少具有四個獨立的可調式整合低雜訊電源供應器”(adjustable integrated low-noise power supplies)，以提供額外的便利性。其他週邊設備則包括：2米長的測試台、具有堅固基座的各式機械夾具、雙面膠帶、尺規或量測尺、粗糙表面之黑卡紙板(matte black cardboard)、透鏡擦拭工具、透鏡清潔劑、一組蛋白石散光器(opal diffuser)、延長線、測試圖表，以及色度計(color meter)為額外配備。

電性設定(Electrical Set-up)
接著下一步是電性設定，與測試無直接相關之問題，包括：電源供應器、數據／電源線、插座／板的設計，以及基本註冊架構等，這些都要列入考慮。大部份先進的影像感測器需要或允許使用不同的供應電壓，以符合不同的功能區塊。例如一個電源接腳供應類比區塊(analog section)，一個供應數位區塊(digital section)和另一個供應通訊I/O端。一個具有彈性之電性設定，最少要有四個獨立可調的電源供應器。一些感測器也需要特定及具有功率定時上升順序之功能，雖然採用電腦控制的電源供應器，可以達到以上所需功能，但是採用具有整合電源供應器且包含上述功能之影像擷取器，則是最方便的作法。最後，如果影像雜訊量測(image noise measurements)是量測計畫範圍的一部份時，則需要使用低雜訊之電源供應器(low – noise power supplies)，功率輸出雜訊可以直接調節資料輸出雜訊(output data noise)。

基於方便性，在測試時可以移動影像感測器，然而線路必須能夠將可移動的感測器與相對應之固定的影像擷取器／PC單元作好連結。在大部份情況下，使用雙板架構(two – board approach)，如圖一所示，都可以作良好之運作，其中一個PCB板直接連接到影像擷取器之介面，而另一個PCB板與影像感測器／插座接合。
在設計測試用印刷電路板之通則上，儘量保持設計之寬敞，以便容易進行電路檢測追蹤。提供跨接器位置(jumper positions)以供電源供應器及靜態數位輸入(static digital inputs)之使用。追蹤表面或底部層，以輔助任何可能之修訂(possible rework)。

圖一：使用可彎曲線路作介面連接之雙板架構(Dual – board configuration)。

影像感測器插座之設計也很重要，必須考量許多問題，例如：聚焦面透鏡(focal plane lens)之對位、遮光性質(light – blocking properties )，光線反射抑制及受力分佈。影像感測器(image sensor)易脆，在較大的外力下會產生快速破裂，建議使用蚌殻形狀之設計以保護感測器。儘量施以較小力量，以達到良好電性接合。然而，為了達到最佳化之結果，最好尋求專業設計公司。

在測試設定上，註冊架構(Register configuration)是最花費時間之步驟。大部份新型影像感測器都具有一個ISP核心，經由註冊存取後，可作微調。很不幸地，原有的註冊設定並不是最佳化，在測試或一般使用上也不正確。更糟糕的是，一些感測器製造商並非完全揭露其ISP註冊空間(register space)，功能都被這些註冊值所控制住，這包括：增益控制(gain control)、自動曝光控制(automatic exposure control，AE)，自動白平衡(automatic white balance；AWB)，色彩修正(color correction)、邊緣改善(edge enhancement)，以及數據輸出結構(data output configuration)等。針對大部份測試架構而言，AE及AWB必須關掉。大部份感測器使用雙線(時間和數據) I₂C通訊協定。當時頻(Clock frequency)和電壓值(Voltage levels)相容時，幾乎任何I₂C主元件皆可用來讀寫註冊設定(register setting)。此外，為了確保註冊存取之正確性，要參考影像感測器數據表單(datasheet)，以了解元件位址(所有轉換)之細部內容和任何頁面設定註冊(register page setting)。雖然與感測器製造商連絡，有可能得到適當之註冊設定，但在色彩修正註冊(Color correction registers)上需要一些反覆動作，這跟特殊測試情況有關。

模組品質量測(Module Quality Measures)
模組品質量測是製程中的另一個重要步驟，它直接從一給予的影像模組系統圖擷取特性到大量的量測技術及性能係數(figures of merit)。調制傳遞函數(modulation transfer function；MTF)、色彩正確性(Color accuracy)和影像畸變(distortion)為三大基本量測性能。

MTF是影像感測模組對電子訊號過濾的頻率反應(frequency response)，它的最佳解釋是模組之空間頻率響應，其先天上包含了感測器之解析度、對焦正確性、透鏡品質和對比等之貢獻，所以一般使用它來做影像再生品質的全面量測。圖二簡單地以圖示來描述MTF，當線之間距變小時，感測器對這些線之解析能力將變差。

圖二：MTF量測與計算之示意圖。

因為橫越影像面之MTF並非定值，大部份影像分析套裝軟體使用傾斜邊之MTF測試，針對不同影像區域賦以局部化量測(localized measurements)。

畸變(distortion)是一種高階之透鏡像差，導致原本在目標面上為直線，然而在影像感測面上則形成曲線。這種像差畸變，一般隨著與影像中心距離之增加而變得更加明顯。針墊(pin cushion)和筒形畸變(barrel distortion)為二種可能的畸變種類(圖三)。

圖三：上一列圖形顯示二種透鏡畸變之例子，下一列圖形使用可量測之計量來計算SMIA TV的畸變。

所謂色彩正確性(color accuracy)，是量測此模組在指定的照明溫度 (lighting temperature) 下，以正確的色彩含量(color content)，再生還原影像的能力。Gretag／Macbeth方格彩色圖就是用於此量測用途。每一個正方形色彩具有一個理想的RBG色彩空間值(color space value)，可以從圖本身或線上(online)找到。針對所給予的光條件下，感測器ISP色彩正確性與色彩平衡設定，則可利用此圖表(chart)作最佳化處理。為了達到更高之正確性及免於受到光源變化或老化之影響，可使用色度計(colorimeter)量測光源之光譜內容(spectral content)，如此模組所產生之反應將可免於任何光源光譜之影響。

這些大量的量測參數將可產生ISO 12233圖表，這是一個幾乎包含所有測試條件，可提供許多資訊來獲取與色彩無關之模組特性，這些與色彩無關之模組特性包括：MTF、畸變和其他許多特性。從網路上可輕易得到ISO 12233圖，大部份具基本條件的影像感測器實驗室，至少需要具備以下項目：一個Gretag／Macbeth圖、一個ISO 12233圖、一個畸變圖(distortion chart)，以及在所有應用上必須具備正確尺寸等。

測試例子
圖四為一般影像感測器之實驗室規劃俯視圖，目標區受光必需均勻，為了確保受光均勻，使用照度計量測。調整光源位置及角度，直到圖5所示之點的光強度，目標區邊緣與中心的光強度偏差在5%之內，雖然10%偏差仍然可以接受。使用泛光燈調光器(floodlight dimmer)，調整目標中心區得到所需之照度，1000Lux是一個好的起始點。因為有些測試需要全屏影像圖，必須調整模組與目標區之距離，以達到上述目的。當進行影像捕捉時，追蹤所執行之測試，使用詳細的記錄檔或智慧檔案命名慣例來記錄光強度。